北京地区工程施工钻探技术进展

张 勇，彭新明

(1.北京理工大学，北京100081；2.北京市地质工程勘察院，北京100048；3.北京市地质工程公司，北京100143；4.北京市地热研究院，北京100143）

北京地区工程施工钻探技术进展

张 勇*1，2，彭新明3，4

(1.北京理工大学，北京100081；2.北京市地质工程勘察院，北京100048；3.北京市地质工程公司，北京100143；4.北京市地热研究院，北京100143）

介绍了北京地区旋挖钻进、高压旋喷与搅喷、气（风）动潜孔锤钻进、盾构、全液压锚杆钻进、辐射井施工、压灌超流态砼后插钢筋笼施工、地下连续墙施工等工程施工钻探技术方法概况。近年来，北京地区工程施工钻探技术方法已形成较成熟体系，但在环境保护、钻孔垂直度等方面相对不足，尤其是地铁施工降水，浪费了大量宝贵的地下水资源，近几年才开始探索采用帷幕止水代替施工降水。帷幕止水工艺需要创新性发展，应研发环保钻进设备与工艺。

北京；工程施工钻探技术；进展

探矿工程是在地质勘探工作中，为探明矿体或地质体的形态、产状、深度、规模、结构和储量的工程技术，又称勘探技术，包括钻探工程和坑探工程。自改革开放以来，探矿工程技术，尤其是工程施工钻探技术在城市建设中得到广泛应用及充分发展，已成为地基与基础工程、基坑工程、轨道交通工程、市政工程、道桥工程等主要施工技术方法。随着生产技术的发展，工程施工钻进的应用范围不断扩大，如水坝或其他工程建筑基础的灌浆和固结处理、矿山竖井建设中冻结孔的钻凿，以及地下坑道的通风孔、电缆孔等的钻进，都属钻探工程的范畴。

1992年南巡讲话后，城市开发与基础设施建设方面加快了发展步伐，北京建筑市场蓬勃发展，工程施工队伍迅速发展。工程施工钻探队伍有地矿、冶金、石油、煤炭、电子、化工、交通等各部属单位，有北京城建、建工、市政、矿务等市属单位，有中国人民解放军、武警部队等军转民和军民种单位，还有部分省（区、市）在京的施工单位和个体户等[1]。20世纪90年代中后期，工程施工钻探设备大量增加，种类很多，有国产或进口的各种长螺旋和短螺旋钻机，各种正循环、泵吸反循环回转钻机，YKC冲击钻机和各种锚杆钻机，还有少量比较先进的大口径旋挖钻机。

2001年7月13日北京获得2008年奥运会举办权，此后，北京开始了规模宏大且优质高效的城市建设。工程施工钻探队伍专业化程度越来越高，有国有单位、股份公司、上市公司、民营企业、合资企业等。岩土钻掘设备更新换代，大量使用先进的旋挖钻机、盾构机、旋喷钻机、液压锚杆钻机、地下连续墙成槽机等。北京地区工程施工钻探技术方法实现了快速发展，例如成桩工艺方法由以人工挖孔、泵吸反循环钻进、钢丝绳冲击钻进、打桩机施工等为主，逐渐发展为以旋挖钻进、压灌超流态砼后插钢筋笼施工技术等为主，并且引进、开发了多种工程施工钻探技术方法。

1 旋挖钻进

早在1984年，天津探矿机械厂首次引进了美国RDⅡ公司的旋挖钻机并进行消化吸收。20世纪80年代末至90年代初，我国的一些施工企业看到了旋挖钻进技术在施工中体现出的巨大优势，开始从国外进口旋挖钻机。此时，国外的一些旋挖钻机制造商也纷纷在中国设立办事处，向中国的基础工程施工行业介绍、宣传旋挖钻机及旋挖钻进施工技术[2-3]。

北京旋挖钻机的发展历程：1988年北京城建工程机械厂仿制了意大利土力公司1.5m直径附着式旋挖钻机；2001年北京经纬巨力工程机械有限公司第一台旋挖钻机试制成功，并应用于青藏铁路工程施工，该公司是国内第一家专门生产旋挖钻机的公司；2007年，国内首台岩石旋挖钻机SR220R在北京三一重机有限公司下线，北京探矿工程研究所为此研制了钻头、钻齿；2008年3月，亚洲最大的旋挖钻机SR360在北京三一重机有限公司下线。

2000年11月～2003年10月，在北京五环路的基础施工中，旋挖钻机已占了绝大多数，最多时达到了30多台；2004年，在北京奥运国家体育馆建设工地同时使用旋挖钻机16台；至2012年，旋挖钻机已成为北京桩工行业常规设备。

2 高压旋喷与搅喷

高压旋喷的原理是利用钻机等设备,把安装在注浆管最底部的特殊喷嘴,置于土层预定的深度,以高压的水流(或水泥浆)或压缩空气流在地下切碎软弱土体后,再以高压注入水泥浆体与切碎的土体混合形成加固柱体。根据施工过程中喷管旋转与提升的方式不同可实现旋喷、摆喷和定向喷射,相应地可形成旋喷桩、成片的止水帷幕和挡土墙等地下结构[4]。

2007年1月23日，为加强北京市地下水资源的管理和保护，减少水资源的浪费，防止相关地质灾害，根据《建设工程安全生产管理条例》及有关法律、法规，北京市建委、市水务局共同研究制定了《北京市建设工程施工降水管理办法》。自2008年3月1日起，本市所有新开工的工程限制进行施工降水。建设单位或者施工单位应当采用连续墙、护坡桩+桩间旋喷桩、水泥土桩+型钢等帷幕隔水方法，隔断地下水进入施工区域。近年来，高压旋喷被广泛应用于深基坑工程止水帷幕，单管旋喷逐渐被淘汰，以双重管旋喷、三重管旋喷为主。

北京中岩大地工程技术有限公司对长螺旋钻机进行了技术改造，相继研究了“长螺旋高压喷射注浆搅拌成桩装置”、“长螺旋二重管高压搅喷桩施工方法及其装置”。采用长螺旋钻机完成钻孔及旋喷搅拌施工，将钻孔及旋喷搅拌合二为一，省去了引孔设备。钻孔时充分利用了长螺旋钻机钻进速度快的特点，旋喷搅拌时又可控制提升、下降速度，整体施工便捷、快速。成桩直径800～1600mm，桩体质量比较均匀，水泥掺量为10%～20%。

3 气（风）动潜孔锤钻进

2010年，北京市地质工程公司在北京地铁14号线降水工程中应用风动潜孔锤钻进技术具有成井周期短、钻进效率高、钻孔保直精度高、成井后无需专门洗井、施工占地小、噪声小、污染小等特点，解决了其它施工工艺在漂、卵、砾石地层难于成孔，或成孔周期长、对地面交通影响大、成孔过程中产生大量泥浆、洗井质量差、施工成本高等一系列问题，并应用于北京地区其它降水施工[5]。

4 盾构

盾构实际上是盾构机的简称。它是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排土机具，自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。以盾构机为核心的一整套完整的隧道施工方法称为盾构工法。

2003年3月，北京城建集团盾构公司斥巨资从德国引进土压平衡盾构掘进机，拖着58m长的巨大身躯，在地下20m的地层内，打通了地铁五号线的第一公里。这是北京首条采用“盾构法”挖筑的地下轨道。

此后，北京地铁4号线、6号线、9号线、10号线、14号线等采用盾构机掘进。如今，盾构法已经成为北京地铁隧道的主要施工方法。

5 全液压锚杆钻进

早期锚杆钻机主要用于矿山井巷等顶板及边帮的锚杆支护。随着技术发展,锚杆钻机功能增多,应用范围显著增大,现已应用于抗浮锚杆、地下连续墙、土钉墙支护、防渗墙、深基坑锚固等施工工艺中,其可完成钻孔成孔以及锚索和锚喷等。在城市现代化进程中起着重要的角色[6]。

20世纪90年代初以前，在城市建设中，锚杆钻机为机械传动，锚杆钻进工艺主要为长螺旋钻进工艺，少数为潜孔锤钻进工艺；1995年北京市地质工程公司引进了德国HD90型液压锚杆钻机，采用全液压动力头传动，跟管钻进，机械化程度高，钻进效率高，减轻工人劳动强度。自20世纪90年代末至今,在北京城市建设中引进了许多发达国家研发的全液压履带式锚杆钻机进行地下连续墙支护和深基坑锚固施工。

21世纪初,北京建筑机械化研究院、北京建研机械科技有限公司等单位开始研发全液压锚杆钻机,并形成系列化。国内其他工程机械公司如三一重工、中联重科、东方工矿、宣化英格索兰、山河智能等也逐渐研发出相关锚杆钻机。

6 辐射井施工

国外辐射井主要用于供水井，竖井井径较大（5.0～6.0m），而深度一般不超过20m。国内辐射井技术已广泛应用于农田灌溉、城镇及工矿企业供水。传统辐射竖井主要施工方法为钻机反循环成孔漂浮法下管，占地面积大；水平井应用水冲顶进法，适用于细颗粒软土地层。此工艺方法操作简单，成本低，但是水冲法施工水平井遇砂层时涌砂大，孔壁扩径大，塌陷严重，易形成地下空洞，引起较大地面沉降，遇砾石、卵石地层时又无法成孔，且施工占地面积大，因此不适合市区建筑密集地段及复杂地层条件下的工程降水。所以，现有国内辐射井施工工艺及设备还不能满足北京地铁施工的要求。

2002年6月北京市地质工程勘察院开始进行辐射井在浅埋暗挖地铁降水中的应用研究，经过大量工程实践后于2006年6月通过专家验收。主要技术创新点[7]：（1）成功研究了双壁反循环水平井施工工艺及配套设备，施工水平井长度可达80m以上。（2）北京地区沉井（直径Ø3500mm）一般只能施工至20m深度，经过引进泥浆润滑套和分段高压射水方法，大大减小了沉井过程中地层侧摩阻力，使北京地区沉井深度达到28.5m，同时还应用了锚喷倒挂壁竖井施工工艺，解决了传统的机械成井方法占地面积较大的难题，使辐射井降水技术应用范围更广。（3）在辐射井出水量计算过程中，打破了仅采用经验近似公式法计算的常规，引进了过水断面法和等效替代法，取得了较合理的经验参数，使计算结果更加接近工程实际。（4）水平井施工中，引进偏心潜孔锤跟管钻进工艺，在卵石、漂石地层中施工工艺研究方面取得初步成果。

7 压灌超流态砼后插钢筋笼施工

超流态混凝土灌注桩由日本的CⅡP工法演变而来，采用专用长螺旋钻孔机钻至预定深度，通过钻头活门向孔内连续泵注超流态混凝土，至桩顶为止，然后插入钢筋笼而形成的桩体，在压灌混凝土到桩顶时，灌入的混凝土要超出桩顶50cm，以保证桩顶混凝土强度。一般施工流程为：长螺旋钻至设计深度→通过中心管压灌超流态砼→放置钢筋笼并振动至设计标高→成桩。

它是2005年建设部推广的十大技术之一，近年来，在北京已广泛应用于护坡桩、基础桩及抗浮桩施工。

8 地下连续墙施工

自1957年在山东月子口水库成功建造第一道连锁桩柱防渗墙以来,地下连续墙施工技术在我国逐步得到应用。改革开放后,尤其是近二十年来,这项技术在我国得到越来越广泛的应用,其施工技术有了长足的发展,开始进入世界先进水平的行列，出现了多种新工艺,呈现多样化趋势。20世纪60、70年代冲击式钻机钻劈法施工工艺的一统天下已被打破,现在常用的施工工艺有纯抓法、纯铣法、钻吸法、射水法、连续开槽法、挤压成槽法等。以液压抓斗为挖槽机械的纯抓法在北京建筑、地铁等行业中应用最广。

近年来，北京地区也开始采用在护坡桩外施工薄壁地连墙作为止水帷幕，取得了良好的效果。

9 结语

近年来，北京地区工程施工钻探技术方法已形成较成熟体系，但在环境保护、钻孔垂直度等方面相对不足，尤其是地铁施工降水，浪费了大量宝贵的地下水资源，近几年才开始探索采用帷幕止水代替施工降水。

9.1 研发环保钻进设备与工艺

目前北京的环境保护政策正越来越严格，尤其在中心城区施工，工程施工钻探过程中产生一系列的环境污染，主要有：（1）噪声。钻机动力噪声，泥浆泵工作噪声，快速放气阀噪声，转盘及钻台工作面产生的噪声，钻具碰撞及其他操作噪声等。（2）浆液污染。在工程施工钻探中，因孔深较浅，一般不重视泥浆的性能、储备、排放等。（3）钻出来的泥土、岩屑等遗撒后形成污染。因而，需要研发集成式环保钻探设备，解决当前工程施工钻探设备小、散、杂的情况。浆液、岩屑等形成封闭或半封闭系统。探索井台降噪工艺措施。采用环保型泥浆，满足施工地区的环保排放标准，有益于当地的生态环境，并适应于钻探需要。

9.2 帷幕止水工艺需要创新性发展

20世纪80年代以后，北京高层建筑如雨后春笋般地拔地而起，基坑开挖深度不断加深，面积增大。进入21世纪，北京城市地价以惊人速度上涨，尤其中心城区土地资源非常紧张，可谓寸土寸金，正在大规模地从事地铁、地下通道、地下停车场、地下人防、地下室等地下空间工程建设。北京市高层建筑较深的地下室已建到4～5层，基坑深度20m左右比较常见。北京未来将向更深的地下要空间，基坑深度将继续增加，最关键的工序是帷幕止水。因北京的地层条件较好，如果采用地下连续墙将大幅度提高工程成本，但传统的桩锚+桩间止水支护体系存在突出的问题：（1）高压旋喷或搅喷的钻孔垂直度难于控制，如按1°/100m计算钻孔倾角，桩深超过15m后，桩底会出现15cm以上的“分叉”,严重影响止水效果。（2）钻遇护坡桩扩散的混凝土固结体、漂石时，高压旋喷或长螺旋钻机不能钻穿。（3）护坡桩的垂直度影响帷幕止水钻孔的垂直度，如何确保旋挖、长螺旋等钻进方法的垂直度，对20m以深的基坑工程止水帷幕施工具有重要意义。

[1]北京市地方志编纂委员会.北京志·地质矿产志[M].北京出版社，2001：259-268.

[2]刘伟.旋挖钻机的发展及应用[J].建筑机械化，2004（11）：16-18.

[3]周红军.我国旋挖钻进技术及设备的应用与发展[J].探矿工程，2003（2）：11-14.

[4]余暄平.国内外高压旋喷技术的发展现状与趋势[J].成果应用，2006（4）：185-189.

[5]李博.风动潜孔锤钻进技术在北京地铁降水中的应用研究[J].探矿工程，2011（4）：45-48.

[6]文国臣，赵宏强，刘鹏.锚杆钻机的应用介绍及发展趋势[C]//中国采选技术十年回顾与展望,2012：579-581.

[7]北京市地质矿产勘查开发局.北京地质工作五十年[M].中国大地出版社，2008.

P634.5

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1004-5716(2015)03-0070-04

2014-03-28

张勇（1969-），男（汉族），山东日照人，高级工程师，现从事地热工程、地基与基础工程的研究、设计、施工、管理工作。